[논문 리뷰] Quantum simulation of Hamiltonian spectra on a silicon chip

Raffaele Santagati, Jia-Chao Wang외 12명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 10.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 10인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 하이브리드 양자 알고리즘을 도입하여 변분 방법과 고유상태 증거를 통한 위상 추정을 융합함으로써 하미르토니안의 기저 상태 및 자극 상태 고유값을 효율적으로 근사한다. 질량 생산이 가능한 실리콘 광학 칩에서 실험적으로 구현된 이 방법은 고유값 추정에서 >99%의 정밀도와 32비트 정밀도를 달성하였으며, 확장 가능한 양자 화학 시뮬레이션으로 향한 중요한 발걸음이다.

ABSTRACT

The efficient calculation of Hamiltonian spectra, a problem often intractable on classical machines, can find application in many fields, from physics to chemistry. Here, we introduce the concept of an eigenstate witness and through it provide a new quantum approach which combines variational methods and phase estimation to approximate eigenvalues for both ground and excited states. This protocol is experimentally verified on a programmable silicon quantum photonic chip, a mass-manufacturable platform, which embeds entangled state generation, arbitrary controlled-unitary operations, and projective measurements. Both ground and excited states are experimentally found with fidelities >99%, and their eigenvalues are estimated with 32-bits of precision. We also investigate and discuss the scalability of the approach and study its performance through numerical simulations of more complex Hamiltonians. This result shows promising progress towards quantum chemistry on quantum computers.

연구 동기 및 목표

• 기저 상태 및 자극 상태의 고유값을 포함한 하미르토니안 스펙트럼을 계산하는 확장 가능하고 실험적으로 실현 가능한 방법을 개발하는 것.
• 변분 방법과 고유상태 증거를 활용한 위상 추정을 융합하여 양자 스펙트럼 시뮬레이션의 정확도와 효율성을 향상시키는 것.
• 양자 얽힘, 유니터리 연산, 측정을 모두 구현할 수 있는 대량 생산이 가능한 실리콘 양자 광학 플랫폼에서 이 방법의 실현 가능성을 입증하는 것.
• 고정밀도 상태 준비와 정밀한 고유값 추정을 통한 실험적 검증을 수행하는 것.
• 더 큰 복잡한 하미르토니안에서의 확장성과 성능을 수치 시뮬레이션을 통해 평가하는 것.

제안 방법

• 프로토콜은 변분 최적화 과정 중 목표 고유상태의 식별을 검증하고 이끌기 위해 고유상태 증거를 도입한다.
• 변분 양자 고유값 해법(VQE)-유사 상태 준비 방식과 양자 위상 추정(QPE)을 융합하여 고유상태 및 고유값 추정을 정밀화한다.
• 양자 얽힘 생성, 임의의 제어 유니터리 연산, 그리고 사영 측정을 지원하는 프로그래머블 실리콘 광학 칩을 활용한다.
• 고유상태 증거를 통해 준비된 상태와의 오버랩을 검증함으로써 기저 상태 및 자극 상태를 신뢰성 있게 탐지할 수 있다.
• 반복 최적화를 통해 후보 상태를 준비한 후, 고유값을 고정밀도로 추출하기 위해 위상 추정을 수행한다.
• 실험 시스템 크기 이상의 더 큰 복잡한 하미르토니안에서의 확장성과 성능을 평가하기 위해 수치 시뮬레이션을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 변분 방법과 위상 추정을 융합한 하이브리드 양자 알고리즘이 하미르토니안의 기저 상태 및 자극 상태 고유값을 정확하게 근사할 수 있는가?
• RQ2 고유상태 증거 개념이 확장 가능하고 대량 생산이 가능한 광학 플랫폼에서 실험적으로 구현되어 목표 고유상태를 검증할 수 있는가?
• RQ3 실제 양자 하드웨어 플랫폼에서 이 방법을 사용할 경우 고유값 추정의 정밀도와 정밀도는 어느 정도 달성될 수 있는가?
• RQ4 점점 더 복잡한 하미르토니안에 적용했을 때 이 방법의 성능은 어떻게 확장되는가?
• RQ5 단일 실리콘 광학 칩에서 얽힘 생성, 제어 유니터리 연산, 사영 측정을 통합하여 스펙트럼 시뮬레이션에 실현 가능한가?

주요 결과

• 프로토콜은 상태 준비 정밀도가 99%를 초과하는 실리콘 광학 칩에서 기저 상태 및 자극 상태를 성공적으로 식별하였다.
• 고유값은 32비트 정밀도로 추정되어 실험 플랫폼에서 고해상도 스펙트럼 분석을 실현하였다.
• 고유상태 증거는 변분 최적화 과정 중 목표 고유상태의 신뢰성 있는 탐지 및 검증을 가능하게 하였다.
• 이 방법은 모든 필수 양자 연산을 구현할 수 있는 프로그래머블이고 대량 생산이 가능한 실리콘 양자 광학 칩에서 실험적으로 검증되었다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 더 큰 복잡한 하미르토니안에 대한 이 방법의 확장성이 확인되었다.
• 결과적으로 이는 근접한 양자 하드웨어를 활용한 실용적 양자 화학 시뮬레이션으로 향한 중대한 도약을 나타낸다.